Introduction
L'électromagnétisme classique est l'un des piliers de la physique moderne. Il constitue une théorie de champ qui explique comment les charges électriques et les courants interagissent pour produire des forces électriques et magnétiques, et comment ces interactions se propagent dans l'espace et le temps sous la forme d'ondes lumineuses. C'est une théorie non-quantique et relativiste (compatible avec la relativité restreinte), qui a révolutionné notre compréhension de la nature et est à la base de pratiquement toute la technologie moderne.
Description
La théorie est synthétisée par les quatre équations de Maxwell, formulées sous leur forme moderne par Oliver Heaviside. Ces équations différentielles décrivent les propriétés et l'évolution des champs électrique (E) et magnétique (B) en présence de sources (charges et courants). 1) La loi de Gauss pour l'électricité : le flux du champ électrique à travers une surface fermée est proportionnel à la charge électrique contenue à l'intérieur. 2) La loi de Gauss pour le magnétisme : le flux du champ magnétique à travers toute surface fermée est toujours nul, ce qui implique l'inexistence de monopôles magnétiques isolés. 3) La loi de l'induction de Faraday : un champ magnétique variable dans le temps crée un champ électrique tourbillonnant (induction). 4) La loi d'Ampère-Maxwell : un courant électrique ou un champ électrique variable dans le temps crée un champ magnétique tourbillonnant. L'ajout crucial de Maxwell fut le 'courant de déplacement', qui complète la quatrième équation et permet de décrire la propagation des ondes. La force de Lorentz, F = q(E + v × B), décrit quant à elle la force subie par une charge en mouvement dans ces champs. La résolution de ces équations dans le vide prédit l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse constante de la lumière, c.
Histoire
Les racines de l'électromagnétisme remontent à l'Antiquité avec l'observation de l'ambre (élektron en grec) et de la magnétite. Les travaux fondateurs modernes débutent avec William Gilbert (De Magnete, 1600). Au XVIIIe et XIXe siècles, des lois phénoménologiques sont établies : la loi de Coulomb (force électrostatique, 1785), la pile de Volta (1800), la loi de Biot-Savart et d'Ampère (force entre courants, 1820), et la découverte de l'induction électromagnétique par Faraday (1831). Le génie de James Clerk Maxwell (années 1860) fut de synthétiser ces lois disparates en un ensemble cohérent d'équations, introduisant le concept de champ et unifiant explicitement la lumière à une onde électromagnétique. La confirmation expérimentale des ondes par Heinrich Hertz en 1887 valida définitivement la théorie. Les équations se sont ensuite avérées parfaitement compatibles avec la relativité restreinte d'Einstein (1905).
Caracteristiques
1) **Théorie de champ** : Les interactions ne sont pas instantanées à distance, mais médiées par un champ physique (électromagnétique) se propageant à vitesse finie. 2) **Linéarité** : Les équations de Maxwell dans le vide sont linéaires, permettant la superposition des solutions (principe de superposition des ondes). 3) **Invariance de jauge** : Les potentiels électromagnétiques (scalaire et vecteur) ne sont pas uniques, une propriété fondamentale pour les développements ultérieurs en physique quantique. 4) **Invariance relativiste** : La théorie est naturellement compatible avec la relativité restreinte ; les champs E et B se transforment l'un en l'autre selon le référentiel de l'observateur. 5) **Ondes transverses** : Les ondes électromagnétiques dans le vide sont transversales (les champs oscillent perpendiculairement à la direction de propagation).
Importance
L'électromagnétisme classique est d'une importance capitale. Sur le plan théorique, il a servi de modèle pour toutes les théories de champ ultérieures, notamment la relativité générale et le modèle standard de la physique des particules. Il a unifié trois domaines auparavant distincts (électricité, magnétisme, optique). Sur le plan pratique, il est le fondement de toute l'ingénierie électrique et électronique : génération et distribution d'électricité, moteurs, transformateurs, radio, télévision, radars, télécommunications sans fil (Wi-Fi, Bluetooth), imagerie médicale (IRM), et bien sûr, toute la technologie des lasers et de la fibre optique. Il décrit parfaitement les phénomènes à l'échelle macroscopique et reste valide jusqu'à l'échelle atomique, où la mécanique quantique (électrodynamique quantique) prend le relais.
